衬底制备课件

1、第一章 衬底制备主 讲：毛 维 西安电子科技大学微电子学院第1页，共37页。第一章 衬底制备 1.1 衬底材料1.1.1 衬底材料的类型1. 元素半导体 Si、Ge、C（金刚石）2. 化合物半导体 GaAs、SiGe 、SiC 、GaN、 ZnO 、HgCdTe3. 绝缘体 蓝宝石第2页，共37页。表1 周期表中用作半导体的元素 族族族族族第2周期BC N第3周期AlSi P S第4周期ZnGaGe As Se第5周期CdInSn Sb Te第6周期HgPb第3页，共37页。 元素半导体Si：占地壳重量20%-25%；单晶直径最大，目前16英吋（400mm）,每 3年增加1英寸；SiO2作用:

2、掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝 缘介质（多层布线）、绝缘栅、 MOS电容的介质材料；多晶硅（Poly-Si）：栅电极、杂质扩散 源、互连线（比铝布线灵活）；第4页，共37页。元素半导体Ge：漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.12eV)；工作温度低：75（Si:150）；GeO2:易水解（SiO2稳定）；本征电阻率低：47cm（Si: 2.3105cm）；成本高。优点：电子和空穴迁移率均高于Si最新应用研究：应变Ge技术-Ge沟道MOSFET第5页，共37页。第一章 衬底制备1.1.2 对衬底材料的要求 1.导电类型：N型与P型都易制备； 2.电阻率：10-3108cm，且均匀性好（

3、纵向、横 向、微区）、可靠性高（稳定、真实）； 3.寿命（少数载流子）：晶体管长寿命； 开关器件短寿命； 4.晶格完整性：无位错、低位错（1000个/cm2）；第6页，共37页。第一章 衬底制备1.1.2 对衬底材料的要求 5纯度：电子级硅（EGS,electronic-grade- silicon） -1/109杂质； 6晶向：双极器件-；MOS-； GaAs-； 7直径： 8平整度： 9主、次定位面： 10. 禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。第7页，共37页。第一章 衬底制备1.1.3 起始材料-石英岩（高纯度硅砂-SiO2） SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金

4、级硅：98%； Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2， 三氯硅烷室温下呈液态（沸点为32），利用分 馏法去除杂质； SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g)， 电子级硅 （片状多晶硅）。 第8页，共37页。第一章 衬底制备1.2 单晶的制备 1.2.1 直拉法（CZ法）1.拉晶仪构成： 炉体 拉晶装置 环境控制 电子控制及电源系统 第9页，共37页。 柴可拉斯基拉晶仪第10页，共37页。第11页，共37页。1.拉晶仪炉体石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；旋转装置：顺时针转；加热装置：RF线圈； 拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装

5、置：逆时针；环境控制真空系统：气路系统：提供惰性气体；排气系统：电子控制及电源系统第12页，共37页。2.拉晶过程例，2.5及3英寸硅单晶制备熔硅调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长；引晶（下种）籽晶预热：位置-熔硅上方； 目的-避免对热场的扰动太大；与熔硅接触：温度太高-籽晶熔断； 温度太低-过快结晶； 合适温度-籽晶与熔硅可长时间接 触，既不会进一步融化，也不会生长； 第13页，共37页。2.拉晶过程收颈 目的：抑制位错从籽晶 向晶体延伸； 直径：2-3mm； 长度：20mm； 拉速：3.5mm/min放肩 温度：降15-40； 拉速：0.4mm/min； 第14页，共37页。2.拉晶过

6、程 收肩当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速： 拉速： 2.5mm/min； 等径生长拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在温度场保持相对固定； 收尾 熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。 第15页，共37页。第16页，共37页。第17页，共37页。1.2.2 悬浮区熔法（float-zone FZ法）1.2 单晶的制备第18页，共37页。1.2 单晶的制备1.2.2 悬浮区熔法特点： 可重复生长、提纯单晶； 无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点： 单晶直径不及CZ法。第19页，共37页。1.2 单晶的制备1.2.3 水平区熔法（布里

7、吉曼法） -GaAs单晶第20页，共37页。1.3 衬底制备衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。第21页，共37页。1.3.1 晶体定向 晶体具有各向异性 器件一般制作在不同米勒指数面的晶片上，如 双极器件：111面； MOS器件：100面。晶体定向的方法 1.光图像定向法（参考李乃平） 腐蚀：要定向的晶面经研磨、腐蚀，晶面上出现许多由低指数小平面围成、与晶面具有一定对应关系的小腐蚀坑； 光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平行光反映出不同的图像，从而确定晶面。 第22页，共37页。第23页，共37页。1.3.1 晶体定向 2. X射线衍射法方法：劳埃法；转动晶体法；原理：

8、 入射角应满足：n=2dsin； 晶面米勒指数h、k、l应满足： h2+k2+l2=4n-1（n为奇数）； h2+k2+l2=4n（n为偶数）。第24页，共37页。1.3.2 晶面标识原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开； 硅单晶的解理面：111； 1.主参考面（主定位面，主标志面）起识别划片方向作用；作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；2.次参考面（次定位面，次标志面） 识别晶向和导电类型 第25页，共37页。1.3.2 晶面标识第26页，共37页。1.3.2 晶面标识第27页，共37页。1.3.3 晶片加工切片、磨片、抛光1. 切片将已整形、定向的单

9、晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、平行度、弯曲度，切片损耗占1/3。第28页，共37页。1.3.3 晶片加工第29页，共37页。1.3.3 晶片加工2. 磨片目的： 使各片厚度一致； 使各硅片各处厚度均匀； 改善平整度。 磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。 种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等 第30页，共37页。1.3.3 晶片加工3. 抛光目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无损层的“理想”表面。方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光（CMP,chemical-mechanical polishing） 机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细（0.1-0.5m），MgO、SiO2、ZrO；优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。第31页，共37页。1.3.3 晶片加工化学抛光（化学腐蚀） a.酸性腐蚀 典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(体积比) 3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O 注意腐蚀温度：t=30-50,表面平滑； t75mm）; 2）不需搅拌； 3）表面无损伤。缺点：平整度差 第33页，共37页。1.3.3 晶片加工化学机械抛光（CMP)特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。典型抛光液：SiO